Báo cáo " MÔ PHỎNG CHÁY RỪNG TRONG KHÔNG GIAN TRÊN NỀN GIS " ppt

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011  87 MÔ PHỎNG CHÁY RỪNG TRONG KHÔNG GIAN TRÊN NỀN GIS (SPATIAL FOREST FIRE SPREAD MODELLING IN GIS) Đỗ Đặng Trường Giang, Nguyễn Kim Lợi Bộ môn Thông tin Địa lý Ứng dụng, Khoa Môi trường & Tài Nguyên, Trường Đại học Nông Lâm TPHCM Email: nguyenkimloi@gmail.com Abstract: Fire modelling, in term of spatial analysis, is a significant progress in support of wildland management, incident fire reasonable suppression as well as wildland fire loss estimation. In Viet Nam, unfortunately there is no research or model at this moment in the field of spatial fire analysis that is suitable for local environment. Therefore, our research is: “Modelling spatial wildland fire on GIS flat form” on purpose of consideration the potential application ability of other masterworks in fire analysis and modelling field into GIS. The modelling progress is based on input data, including: digital elevation model (DEM), meteorological data, fuel moisture content and vegetation cover, to use in Rothermel’s mathematical equation (1972) to calculate the rate of fire spread (ROS). The results displayed on GIS flat form by using Alexander (1985) ellipse indicating fire shape, which helps determining the fire-affected neighbour area with relative precision. Keywords: Wildland fire, GIS, model, spread. 1. MỞ ĐẦU Rừng là tài nguyên vô cùng quý giá, đóng vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống con người, đặc biệt đối với nước ta. Tuy nhiên, diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp, khả năng tự phục hồi vô cùng chậm so với tốc độ mất rừng, mà một trong những nguyên nhân chính là cháy rừng. Vấn đề chính mà chúng tôi muốn nghiên cứu là xác định được phần diện tích cháy rừng theo thời gian, phục vụ cho các công tác huy động, tổ chứ c chữa cháy, đưa ra các phương pháp chữa cháy tối ưu, hiệu quả nhất; nghiên cứu, tính toán hậu cháy rừng hoặc ước lượng mất mát như ước lượng sinh khối bị tác động, lượng khí thải ô nhiễm, điều kiện tự nhiên khu vực. Do đó, nhóm chúng tôi đã chọn đề tài: “Mô phỏng cháy rừng trong không gian trên nền GIS”. 1.1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, đề xuất và xây dựng mô hình mô phỏng cháy rừng tích hợp trên nền GIS, kết hợp các nhân tố đầu vào từ mô hình độ cao số (DEM), nhân tố khí tượng và hiện trạng rừng khu vực. 1.2. Nội dung nghiên cứu Phân tích, xử lý dữ liệu hiện trạng rừng thành các yếu tố tính toán trong phương trình lan truyền cháy rừng. Phân tích, xử lý dữ liệu khí tượng, địa hình nhằm kết hợp với kết quả tốc độ lan truyền cháy rừng (ROS) để mô phỏng trong không gian. Nghiên cứu, đánh giá khả năng ứng dụng mô hình trên nền hệ thống thông tin địa lý. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011  88 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Lý thuyết mô hình Mô hình được xây dựng trên cơ sở tính toán ROS, là khoảng cách theo phương ngang mà khu vực cháy di chuyển theo đơn vị thời gian. Tốc độ này có thể được ước lượng từ bất kì điểm nào trong vùng cháy mặc dù có sự chênh lệch giữa tốc độ lan truyền nhanh nhất (heading fire) và tốc độ lan truyền chậm nhất (backing fire), đây cũng là chìa khóa cho vấn đề hoạch định giải pháp, quyết định tạo đ ám cháy có kiểm soát hay chữa cháy rừng. Phương trình toán học của Rothermel (1972) dùng để tính toán trong mô hình, với các thành tố định lượng đều được tính toán dựa trên bản chất của nhiên liệu cháy và môi trường, được biểu diễn như sau: Về lý thuyết xây dựng ellipse thể hiện mặt cháy, công thức của Alexander miêu tả hình dạng hình học của ellipse đều được xác định theo công thức dựa trên vận tốc gió, một biến môi trường, như sau: LB = 0.936 * e 0.2566U + 0.461 * e -0.1548U – 0.397 HB = (LB + (LB 2 – 1) 0.5 ) / (LB - (LB 2 – 1) 0.5 ), với: LB là tỉ lệ giữa đường kính dài và đường kính ngắn của ellipse. HB là tỉ lệ giữa khoảng cách từ điểm bắt cháy tới phần mặt ngọn lửa với khoảng cách từ điểm đó tới phía sau ngọn lửa. U là tốc độ gió ở độ cao 10m. 2.2. Ứng dụng lý thuyết trong xây dựng mô hình Số liệu tính toán được sau khi xử lý sẽ được áp dụng để thể hiện tầm và diện tích lan truyền cháy rừng trong không gian. Toàn bộ quy trình mô hình hóa cháy rừng được miêu tả như sau: HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011  89 Hình 1. Lưu đồ mô hình hóa sự cháy Quy trình gồm 4 bước chính Bước 1: Xác định khu vực/pixel cháy kế tiếp (tiềm năng) bằng việc vẽ ellipse (Alexander 1985) thể hiện hình dạng cháy của lửa tại khu vực. Bước 2: Tạo các pixel láng giềng của pixel đang cháy thực sự bị ảnh hưởng bởi ngọn lửa. Bước 3: Tính toán lượng nhiệt mà pixel nhận được từ các pixel láng giềng đang cháy (Q rec ). Bước 4: Xác định lượng nhiệt 1 pixel nhận được có đủ để bắt lửa cháy không dựa trên sự so sánh với ngưỡng nhiệt bắt lửa cần thiết Q ig . Nếu Q rec > Q ig thì pixel đó bắt lửa, bắt đầu lan truyền nhiệt qua các đối tượng xung quanh nó. Lúc này pixel đó được xếp vào khu vực đang cháy qua quãng thời gian T, bắt đầu lại cả chu kì. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011  90 2.2.1. Tính toán và thể hiện tâm ellipse Hình 2. Ellipse dùng trong mô hình Khi thể hiện trong không gian 2 chiều, thì I (tọa độ điểm bắt đầu cháy) khác với tâm của hình Ellipse là C. Ta có độ dài IC được xác định như sau: - IC = Bán kính lớn – Ba - Bán kính lớn = (H + Ba) / 2 (H là chiều dài lửa lan truyền ROS theo đơn vị thời gian γt (s)) Dựa vào độ dài IC và góc Angle của hình Ellipse, ta dùng toán vector để tính tọa độ điểm C. 2.2.2. Tính toán vector hướng cháy của ellipse trong không gian Bản chất của ngọn lửa trong lan truyền cháy là di chuyển dựa theo hướng gió và hướng dốc lên. Hướng gió là một hằng số thu thập được từ dữ liệu khí tượng thủy văn thường nhật. Còn hướng dốc lên (upslope) được xác định như sau: DEM Î Aspect Î Upslope - Nếu hướng dốc (Aspect) > 180 0 thì: [Upslope] = [Aspect] – 180 - Nếu hướng dốc (Aspect) < 180 0 thì: [Upslope] = [Aspect] + 180 Vector hướng cháy kết hợp (resultant) là vector hợp của 2 vector gió và hướng dốc. Cả hai vector này đều có 2 thuộc tính là ‘độ lớn’ và ‘hướng’. Trong đó ‘độ lớn’ được mô tả bằng kết quả của Фw và Фs được tính bằng chuỗi công thức dùng để tính toán phương trình ROS. ‘Hướng’ của vector này được tính dựa theo công thức tính góc hợp bởi 2 vector. 2.2.3 Xác định bề mặt cháy kế tiếp dựa trên ellipse Xác định bề mặt cháy trong tương lai gần của ngọn lửa trong không gian bằng cách kết hợp những ellipse được tạo thành 1 đa giác thể hiện sự mở rộng của bề mặt cháy. Hình 3. Phía mặt của đám cháy sau khi ghép các hình ellipse với các thông số biến của pixel khác nhau 2.2.4. Mô tả sự nhận nhiệt của 1 cell Thuật toán để tính Q rec : một cửa số 3x3 được tạo ra đối với mỗi cell trong raster thể hiện tỏa nhiệt, sử dụng giá trị nhiệt tỏa ra của 8 pixel kề cận để tính kết quả. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011  91 Hình 4. Mô tả sự nhận nhiệt của 1 cell Q rec = (a+b+c+d+f+g+h+i) / 6 2.2.5. Xem xét ngưỡng bắt lửa Quá trình này là một hàm boolean nhằm xác định lượng nhiệt 1 pixel nhận được (Q rec ) có đủ để bắt lửa cháy không, mô hình so sánh nó và ngưỡng nhiệt bắt lửa cần thiết Q ig . Nếu Q rec > Q ig thì cell đó bắt lửa, với: - Q ig là kết quả tính toán biến môi trường trong khi tính toán phương trình ROS: o [J/kg] Các pixel bắt lửa sẽ tham gia vào bề mặt cháy ban đầu trong chu kì tính toán kế tiếp của mô hình. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THỬ NGHIỆM Hình 5. Bản đồ hiện trạng rừng khu vực Vồ Dơi, U Minh Hạ và kết quả tính toán ROS với sức gió 3.055 m/s theo hướng đông HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011  92 a. Khu vực bắt đầu cháy giả định (ROS: xanh: 11m/s, vàng: 10m/s) b. Thể hiện ellipse qua lập trình c. Tạo đa giác clip nhằm xác định các pixel bị ảnh hưởng bởi ngọn lửa Hình 6. Xác định khu vực/pixel cháy kế tiếp (tiềm năng) bằng việc vẽ ellipse (Alexander 1985) thể hiện hình dạng cháy của lửa tại khu vực a. Các pixel màu đỏ là khu vực cháy được xác định kế tiếp b. Nhiệt lượng Qig cần để các pixel bắt lửa (J/m 2 ) (xanh: 80095092, đen: 78401092) Khu vực bắt đầu cháy có cùng giá trị tỏa nhiệt mỗi pixel Q = 200128928 J/m 2 , do cùng thuộc tính thảm thực vật là rừng Tràm dưới 5 tuổi. Hình 7. Tạo các pixel láng giềng của pixel đang cháy thực sự bị ảnh hưởng bởi ngọn lửa HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011  93 Q rec (1) = 200128928 * 2 / 6 = 66709642.67 Q rec (1) < Q ig (1) Æ cell 1 không cháy Q rec (2) = 200128928 * 3 / 6 = 100064464 Q rec (2) < Q ig (2) Æ cell 2 cháy ……… Q rec (4) = 200128928 * 4 / 6 = 133419285.3 Q rec (4) > Q ig (4) Æ cell 4 cháy Tương tự, ta có số cell cháy là: 4, 7, 8 trong chu kì 1, chu kì 2 sẽ cháy tiếp các cell 1, 6, 10, 11. (Mỗi chu kì có time step T là 5 giây) Hình 8. Tính toán các pixel sẽ cháy 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1. Kết luận Mô hình cháy rừng tính toán tương đối hiệu quả các khu vực tiềm năng cháy kế tiếp, từ đó đưa vào công thức tính toán thời gian. Tuy nhiên, mô hình còn nhiều hạn chế như: - Chưa tính toán được sự phức tạp của tính bất định và cộng hưởng của lửa (fire behaviour) - Bỏ qua sự thay đổi hướng của gió chịu ảnh hưởng bởi bề mặt địa hình. 4.2. Kiến nghị Trên cơ sở phân tích sâu vào bản chất lan truyền của ngọn lửa, có sự bất hợp lý trong việc mô phỏng lan truyền. Cần phải thay đổi thuật toán tính nhiệt lượng nhận được, phải có sự tham gia của các yếu tố hướng truyền nhiệt và thay đổi tỉ lệ ảnh hưởng của các cell láng giềng. Về hướng gió, nên sử dụng mô hình tính toán hướng và vận tốc gió CANYON bằng cách ứng dụng trực tiếp trên mô hình, hoặc dùng các phần mềm thứ 3 như WindStation nhằm tăng tính ứng dụng đối với mọi loại địa hình đặc biệt. Đề nghị xây dựng bộ công cụ tính toán các thông số thực phủ hoặc cơ sở dữ liệu phân loại nhằm thực thi mô hình dễ dàng hơn. Tài liệu tham khảo Lopes, A.M.G, et al. FireStation – An integrated software system for the numerical simulation of fire spread on complex topography. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Coimbra, 3030 Coimbra, Portugal. 15p. Rothermel, R.C. 1972. A mathematical model for predicting fire spread in wildland fuel. Res. Pap. INT-115. Ogden, UT: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Intermountain Forest and Range Experiment Station. 42 p. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011  94 Alexander, M.E. 1985. Estimating the length-to-breadth ratio of elliptical forest fire patterns.Proceedings of the 8th Conferenceon Fire and Forest Meteorology.Society of American Foresters,Bethesda, Md. Publ. 85-04. pp. 287–304. Ball, G.L. Guertin, D.P. (1991) FIREMAP – Fire and the environment: ecological and cultural perspectives, 1990 March 20-24, Knoxville, TN. Ashecille. NC: USDA Forest Service: 215-218. Cheney, N.P., Gould, J.S., Catchpole, W.R. (1998) Prediction of fire spread in grasslands. International Journal of Wildland Fire 8(1): 1-13. Albini, F.A. 1976. Estimating wildfire behavior and effects.USDA Forest Service General Technical Report INT-30.92 p. Richards, G.D. 1995. A general mathematical framework for modeling two-dimensional wildland fire spread. Int. J. WildlandFire, 5(2): 63–72. Chang, Kang-Tsung 2007. Programming ArcObjects with VBA: a task-oriented approach. CRC Press. . tài: Mô phỏng cháy rừng trong không gian trên nền GIS . 1.1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, đề xuất và xây dựng mô hình mô phỏng cháy rừng tích hợp trên. DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011  87 MÔ PHỎNG CHÁY RỪNG TRONG KHÔNG GIAN TRÊN NỀN GIS (SPATIAL FOREST FIRE SPREAD MODELLING IN GIS) Đỗ Đặng Trường Giang,